一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统。通过MZ‑MMI热光开关级联组成的通道选择模块，输出端接不同光栅周期耦合光栅阵列的光学相控阵单元模块。每一光学相控阵单元模块均包含级联1×2MMI构成的分束器模块，波导连接模块，热光移相器阵列和耦合光栅阵列。采用级联热光开关对不同光相控阵模块的选择和切换，器件上实现采用不同光栅周期的耦合光栅阵列辐射，效果上实现对波束仰角的控制，极大地节省了频段资源。并且，硅基光电子学器件具有尺寸小，兼容CMOS工艺的特点，制作容易，可以实现大规模集成。整套系统的体积远较于其他的雷达扫描系统为小，并且只用单波长即可实现波束在半球面的全覆盖式扫描。

A single wavelength multi line scanning system based on thermo optic switch and silicon optical phased array

The invention discloses a single wavelength multi line scanning system based on a thermo optical switch and a silicon optical phased array. The channel selection module is composed of MZ_MMI thermo-optical switch cascade, and the output end is connected with the optical phased array unit module of different grating periodic coupling grating array. Each optical phased array unit module consists of a beam splitter module composed of cascaded 1 *2 MMI, a waveguide connection module, a thermo-optic phase shifter array and a coupled grating array. Cascaded thermo-optic switches are used to select and switch different optical phased array modules. The coupled grating array radiation with different grating periods is realized on the device. The beam elevation is controlled effectively and the frequency band resources are greatly saved. Moreover, silicon-based optoelectronic devices have the characteristics of small size, compatibility with CMOS process, easy fabrication and large-scale integration. The volume of the whole system is much smaller than that of other radar scanning systems, and the full coverage scanning of the beam on the hemisphere can be realized with only one wavelength.

【技术实现步骤摘要】
一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统
本专利技术涉及多线扫描系统，特别是涉及一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统。
技术介绍
相控阵雷达的概念起源于上世纪50～60年代。传统的电学天线具有体积大，馈电强度要求高，波束宽，偏转依赖机械转动速度慢的特点。在雷达监测和通信领域，传统天线逐渐不能适应于更高要求的应用场景。此时兴起了一门新的雷达天线技术——相控阵天线。顾名思义，相控阵天线采用的是多个能够辐射电磁波能量的天线阵元，在空间中按照特定的相对位置排布，通过调整馈电端的移相器，改变阵元之间的相位差，使远场波束方位移动，从而实现电磁波束的跟踪，探测的具体功能。而且，相控阵天线主波束的电磁能量为所有阵元电磁辐射在该方向上的同相位叠加，所以在相同馈电强度下，相控阵天线的增益系数要远高于其他所有的传统天线技术。相较于传统的天线技术，相控阵天线具有波束宽度窄，天线增益高，扫描精度高，波束指向灵活的特点。在实时定位，多目标跟踪等领域，有着其他传统天线技术不可比拟的优势。然而，相控阵天线同样有着明显的缺陷。因为阵元数目的增多，加上空间位置排布的关系，导致微波的电磁相控阵的体积往往比较庞大。同时，微波的波长较长，虽然具有衍射能力，但是测距和位置的分辨精度较低。所以微波相控阵不适宜应用于要求仪器小型化，测距更高精度的场景。基于硅基光子学的硅光相控阵可以较好弥补传统微波相控阵的缺陷。由于中红外波段的电磁波波长远小于微波波段，使用飞行时间法进行相控阵雷达测距的精度高于微波雷达。同时，1550nm波长也是硅器件用于通信的透明波段，该波长适用于相控阵激光雷达。为了让光波从SOI芯片平面耦合到自由空间中，并发生多波束干涉。光电子领域通常通过MMI分束器或是定向耦合器将波导中的能量分到相控阵的阵元中，而后选用硅波导顶部刻蚀的光栅作为辐射阵元。目前国际上用于光相控阵辐射阵元的光栅一般为扇形光栅(MIT，麻省理工学院)或条波导光栅(IMEC，比利时欧洲微电子中心)。其中扇形光栅的优点在于可以呈矩阵或是圆形等排布在面上，实现相位控制波束在半球面方位偏转。然而相控阵原理表明如果阵元间距大于半波长就会出现栅瓣，扇形光栅容易出现很多栅瓣，不适合应用于相控阵激光雷达的实际场景。条波导光栅可以大幅度缩小阵元间距，但是一维方向排布的条波导光栅只能实现一维方向相位控制波束偏转，另一维方向通常是改变波长控制辐射仰角。然而，一维光栅阵列的光学相控阵波束半球面偏转需要占用大量的频段资源。目前为止，还没有仅通过单波长的光源同时实现方位角和仰角的半球面波束偏转的方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统。在通道选择模块调节基于MZ-MMI的热光开关选通对应的光学相控阵单元模块，实现波束仰角的偏转；在光学相控阵单元模块中调节热光移相器阵列，实现波束方位角的偏转。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：本专利技术包括通道选择模块和4个结构相同的光学相控阵单元模块；其中：通道选择模块包括3个结构相同的MZ-MMI热光开关，第1个MZ-MMI热光开关的输入经光栅与CW激光源耦合，第1个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第2个MZ-MMI热光开关和第3个MZ-MMI热光开关的输入连接，第2个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第1个光学相控阵单元模块和第2个光学相控阵单元模块连接，第3个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第3个光学相控阵单元模块和第4个光学相控阵单元模块连接。所述每个MZ-MMI热光开关均由1×2MMI，2×2MMI和之间的两条干涉臂构成。其中1条或2条干涉臂上覆有加热层，加热层的两端分别连接电极。所述4个结构相同的光学相控阵单元模块，均包括由与通道选择模块中1×2MMI参数不同级联的1×2MMI组成的分束器模块，热光移相器阵列和耦合光栅阵列；分束器模块的输入分别与各自第2个MZ-MMI热光开关和第3个MZ-MMI热光开关的输出连接，级联的1×2MMI组成的分束器模块的另一端经波导连接模块和热光移相器阵列接耦合光栅阵列。所述分束器模块输出为等间距或不等间距分布，通过波导连接模块接等间距的热光移相器阵列后与等间距的耦合光栅阵列连接。所述光学相控阵单元模块的阵因子：其中，A代表每个光栅阵元辐射远场强度(等幅分布)，ko代表1550nm波长光在自由空间波数，Nx代表阵列光栅阵元数，Λx代表光栅阵元的中心间距，代表相邻阵元间的相位差；显而易见，当光学相控阵的阵因子T(θx)达最大值：|T(θx)|＝ANx其中：θx表示波束指向的方位角。调节热光移相器阵列中每一路热光移相器的电极电压，通过热场改变波导折射率以及相应光程相位差，θx的指向也会随之改变，实现光学相控阵波束的方位角偏转。本专利技术具有的有益效果是：在微波光子学中，频段的资源是十分重要且有限的。之前基于光栅作为耦合单元的光学相控阵多线扫描系统均占用大量的频段资源，而采用级联热光开关对不同光相控阵模块的选择和切换，器件上实现采用不同光栅周期的耦合光栅阵列辐射，效果上实现对波束仰角的控制，极大地节省了频段资源。并且，硅基光电子学器件具有尺寸小(微米或亚微米尺度)，兼容CMOS工艺的特点，制作容易，可以实现大规模集成。所以，整套系统的体积远较于其他的雷达扫描系统为小，并且只用单波长即可实现波束在半球面的全覆盖式扫描。附图说明图1是本专利技术的整体结构框架图。图2是本专利技术基于MZ-MMI热光开关的通道选择模块的结构示意图。图3是本专利技术中光相控阵单元模块的结构示意图。图4是本专利技术中耦合光栅的纵截面的结构示意图。图5是本专利技术中的SOI材料结构图。图中：A、通道选择模块，B、光学相控阵单元模块，C、MZ-MMI热光开关，D、分束器模块，E、热光移相器阵列，F、耦合光栅阵列，G、CW激光源；1、1×2MMI，2、加热层，3、2×2MMI，4、1×2MMI(与编号1的参数不相同)，5、波导连接模块，6、热光移相器，7、耦合光栅，8、底层硅，9、二氧化硅衬底，10、脊波导，11、光栅波导，12、平板波导，13、二氧化硅包层，14、热场，15、光栅输入光波数矢量，16、光栅耦合光波数矢量，17、电极。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。如图1所示，本专利技术包括通道选择模块A和4个结构相同的光学相控阵单元模块B1、B2、B3和B4；其中：通道选择模块A包括3个结构相同的MZ-MMI热光开关C(可扩展为N级)，第1个MZ-MMI热光开关C的输入经光栅与CW激光源G耦合，第1个MZ-MMI热光开关C的输入经自身两干涉臂和2×2MMI3后有2个输出，2个输出分别与第2个MZ-MMI热光开关C和第3个MZ-MMI热光开关C的输入连接，第2个MZ-MMI热光开关C的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第1个光学相控阵单元模块B1和第2个光学相控阵单元模块B2连接，第3个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI有2个输出，2个输出分别与第3个光学相控阵单元模块B3和第4个光学相控阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统，其特征在于：包括通道选择模块和4个结构相同的光学相控阵单元模块；其中：通道选择模块包括3个结构相同的MZ‑MMI热光开关，第1个MZ‑MMI热光开关的输入经光栅与CW激光源耦合，第1个MZ‑MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第2个MZ‑MMI热光开关和第3个MZ‑MMI热光开关的输入连接，第2个MZ‑MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第1个光学相控阵单元模块和第2个光学相控阵单元模块连接，第3个MZ‑MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第3个光学相控阵单元模块和第4个光学相控阵单元模块连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统，其特征在于：包括通道选择模块和4个结构相同的光学相控阵单元模块；其中：通道选择模块包括3个结构相同的MZ-MMI热光开关，第1个MZ-MMI热光开关的输入经光栅与CW激光源耦合，第1个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第2个MZ-MMI热光开关和第3个MZ-MMI热光开关的输入连接，第2个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第1个光学相控阵单元模块和第2个光学相控阵单元模块连接，第3个MZ-MMI热光开关的输入经自身两干涉臂和2×2MMI后有2个输出，2个输出分别与第3个光学相控阵单元模块和第4个光学相控阵单元模块连接。2.根据权利要求1所述的一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统，其特征在于：所述每个MZ-MMI热光开关均由1×2MMI，2×2MMI和之间的两条干涉臂构成。其中1条或2条干涉臂上覆有加热层，加热层的两端分别连接电极。3.根据权利要求1所述的一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统，其特征在于：所述4个结构相同的光学相控阵单元模块，均包...

【专利技术属性】
技术研发人员：忻勤杰，余辉，王健，江晓清，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33